CN106464198B - 全谱电磁能系统和发电方法 - Google Patents

Abstract

在三维、在层中收集的电磁（EM）能量允许具有优化的带隙结构的多个平面有效运作，由此集成的多样的和重叠的三维电磁膜允许系统在整个电磁频谱收集能量，并且允许利用直接和间接光的本系统被利用。EM‑CS比传统系统捕获并包含来自EMR的更多能量，解决了全球能量需求。

Description

全谱电磁能系统和发电方法

技术领域

对相关申请的引用：本申请要求2014年5月22日提交的序列号为62/002,122的美国临时专利申请、以及2014年7月14日提交的序列号为62/024,305的美国临时专利申请的优先权和权益，该每个申请的内容将通过引用结合到本申请中。本发明涉及用于从电磁辐射捕获能量并提供该能量用于消耗的方法和设备。

背景技术

主要但过时的获取能源的方法造成了人类的痛苦。当人们想驾驶汽车，晚上阅读，或为工厂供电，为这种需求供应能源的主流方式是从地球获取某种形式的减少的碳和燃烧它。由于碳氢化合物，如石油和煤炭分布不均匀，这种做法导致地缘政治不稳定和暴力。由于碳氢化合物供应有限，如果没有找到替代品，那些紧张局势将加剧。即使这些地缘政治紧张局势可以解决，基本能源供应范式的前提是单向化学计量，其中碳氢化合物燃烧产生二氧化碳。根据美国环境保护局的报告，每年有超过9万亿吨的碳被释放到大气中。

替代能源如太阳能可能会有所帮助，如果这些能源能够满足需求。 虽然光伏（photovoltaic，PV）太阳能发电行业的收入每年接近1000亿美元，但光伏技术需要最好慢慢偿还的巨额资本投资。现有的PV电池被部署为每平方米最多产生约0.200kW的材料的平板。在阳光充足的一天，只要太阳照耀一块牌桌大小的太阳能电池可以保持六个灯泡点亮。对于PV电池的一些背景技术，参见郝林（Hering）的美国授权专利号8,093,492和奥塔巴斯（Ortabasi）的美国授权专利6,689,949。

发明内容

本发明提供了一种从电磁辐射（electromagnetic radiation，EMR）捕获能量并且可以将该能量提供为电的电池。该电池从比传统系统更宽的EMR谱捕获能量，即从紫外延伸到超过红外的EV范围。电池包括在空间的三个维度上与EMR相互作用的材料的组合物，利用了所洞察到的EMR在三个独立维度上消耗能量，该三个独立维度——由磁场B的变化方向限定的第一维度，变化的电场E的第二维度，第三维度是EMR的传播方向。通过使用内反射器，电池在内部捕获EMR。通过使用3D介质，电池最大化了其与EMR的潜在相互作用和从EMR捕获能量的潜力。电池包括以多个带隙为特征的材料的组合物。来自宽电磁谱的内部EMR将这些材料的电子从价带激发到导带，可以使用所包括的电极收获电子形成电流。

通过包括具有吸收性表面和棱镜聚焦的弯曲的上表面几何形状，电池在每天的大持续时间内捕获EMR能量，甚至事实上，当它不严格地说是日光时，电池捕获所有形式的光，间接的、反射的、漫射的、折射的和棱镜光。通过所描述的特征和现象，本发明的电池使可从中捕获能量的EMR谱最大化，并使捕获能量的效率以及每天捕获的持续时间最大化。至少因为那些原因，本发明的电池表现出非常高的效率，并且事实上可以提供至少约每立方米2.9kWh的功率或更高。

由于本发明的电池提供的高效率和功率生产，可以满足人们对能量的需求，而不产生化学计量的二氧化碳量，并且不会加剧围绕不均匀分布的烃燃料的地缘政治压力。因此，本发明的系统和方法提供了用于满足全球能量需求的工具，而不会堆积在人的痛苦上。使用本发明的系统和方法，人们可以在晚上阅读，旅行，经营他们的业务，并且以令人愉快和可持续的方式继续他们的生活。

尊敬地提出，通过二维（欧几里德（Euclidean））方法来解决光伏太阳能发电问题的模块化技术已受到限制，这已阻碍了整个可用能量的电磁谱的利用。简而言之，使用x和y轴来定义能量的PV太阳能收集的界限和边界具有本质上的局限。

因此，本发明的目的是提供利用密集填充（带状技术）（dense packing (ribbontechnology)）的方法、系统和过程，其促进大的Kw/hr和每平方米的最大能量收获。

简要说明，在三维、在层中收集的电磁（electro-magnetic，EM）能量允许具有优化的带隙结构的多个平面有效运作，由此集成的多样的和重叠的三维电磁膜允许系统在整个电磁频谱收集能量，并且允许利用直接和间接光的本系统被利用。

本发明的方面提供了一种电磁能捕获电池，其包括具有上表面层和下表面层的材料体。所述上表面层接收进入材料的电磁辐射（EMR），所述上表面层和下表面层将内部（EMR）反射回材料中，并且所述材料基本上跨越所述上表面和下表面之间的三维空间，使得所述内部EMR在所述三维空间与所述材料相互作用。所述材料的组成定义多个带隙，使得可见光谱之外的内部EMR的波长将电子从价带激发到导带。

所述电池包括与所述材料接触的至少一个电极。在优选实施例中，所述下表面层定义一在所述材料内具有一焦点的抛物面。所述上表面层可以是弯曲的，以使得，例如当电池在无云日放置在室外时，从日出到日落的直射阳光定义了所述弯曲表面的法线。所述材料可以包括多个膜，所述多个膜包括多个半导体。优选地，所述膜定义一种非平面几何形状。所述膜可以通过使用氩气的方法形成，使得所述膜耐分层（delamination）。技术人员理解涉及厚/薄术语的语义是历史的产物，而不是技术上的区别。

所述电池还可以包括与所述材料接触并定义第一电触点和第二电触点的第一电极和第二电极，所述第一电触点和第二电触点可从电池的外部接近。将所述上表面暴露于包括红外波长的EMR，这在第一电触点和第二电触点之间产生电压。

根据实施例，所述电池将广谱的EMR转换为电，所述EMR包括紫外线穿过和超过红外的形式。所述电池可操作地使用UV（紫外线）、可见和不可见的EMR产生电力。本发明的电池覆盖200-5000nm的光谱。可以发现，所述上表面暴露于EMR产生至少2kW/m³。

在某些实施例中，一个电池包括倾斜的镀银顶（silvered-apical）棱镜以吸收间接EM辐射能量。所述电池可包括多个EM氩膜，所述多个EM氩膜可以是透明的、稳定的，并且能够吸收200nm到5000nm的能量。优选地，成角度的镀银顶棱镜吸收间接EM辐射能量。所述电池可以吸收总EMR谱，只有小于10％的EMR被折射。棱镜聚焦可以将表面积增加两倍。

所述电池可以包括组件，所述组件包括一个或多个内部镜面抛物面反射器。所述电池可以包括两个抛物面反射基座（例如，以促进EMR的光子的内部反射和多次通过所述材料）。所述电池还可包括分解EMR并增加吸收的内衬，其通过充当允许辐射进入但抑制其离开的半透膜来分解EMR并增加吸收的内衬。在一些实施例中，内部EMR的任何给定光子与电子相互作用至少7次。在某些实施例中，内部EMR的光子平均与电子相互作用超过30次。所述电池可以包括在所述底表面处的抛物镜面表面，其迫使EMR返回穿过所述材料，使得EMR的光子平均穿过所述材料至少7次，并且至少一些EMR光子穿过所述材料至少37次。

通过前述特征，化学性质和结构，本发明的电池从自紫外到超红外的EMR的完整光谱收集能量。

附图说明

图1示出了本发明的电池101。

图2A-2C示出了电池101的芯构件 201。

图3示出了电池101的端构件301。

图4A-4C示出了根据本发明教导的示例性外部装配硬件部分401的视图。

图5A-5C示出了根据本发明教导的示例性外部底座组件硬件部分501的视图。

图6A-6C示出了本发明电池的端构件601。

图7示出了图形描述的本发明的效率。

图8A给出了花瓣实施例的透视图。

图8B给出了花瓣实施例的侧视图。

图8C给出了花瓣实施例的顶视图。

图8D是图8C的AA线剖视图。

图9是一个示出了根据本发明教导的实施例中增加的捕获如何被驱动的算法。

图10是根据用于优化从电磁光谱收获能量的过程的步骤示意流程图。

图11示意性地示出了如通过本教导所证明的用于多次通过电池的材料的内部EMR的再循环。

具体实施方式

本文所示的是一种电磁能捕获电池，其包括具有上表面和下表面的材料体。该材料可以包含玻璃或者其他这样的材料具有一种内部化学形态可展现所列举的性质。至少该下表面可以提供如所述的抛物面聚焦功能。优选地，电池具有可接收电磁辐射（electromagnetic radiation，EMR）到材料中的上表面，上表面和下表面将内部（EMR）反射回该材料中，并且该材料基本上跨越上表面和下表面之间的三维空间使得内部EMR在该三维空间中与该材料相互作用。例如根据本发明方法制备（例如，通过氩净化工艺制备）的，一种膜形式的所述材料的组合物，限定了多个带隙，使得在可见光谱之外的内部EMR的波长从电子带激发电子到导带。该电池具有重叠构造的内部结构或几何形状，即，一种带状技术或布局能量密度，其产生比本文数据所示的常规PV阵列更多的功率。

本发明配置了一种电磁捕获系统，其利用这种辐射能量的整个频谱来产生功率。

本发明所述的电磁捕获系统（electromagnetic capture system, EM-CS）覆盖200-5000nm（纳米）的较宽频谱，而现有技术的标准PV（光伏发电）则覆盖800-1100nm的较小范围。 EM-CS使用更具动态的氩膜，而不是现有技术的标准薄膜。

本发明所示的电磁捕获系统（EM-CS）是一种新技术，其捕获和转换广谱的电磁辐射，包括在热捕获领域中的紫外穿过和超过红外（C）形式的光。

该技术捕获更宽范围的电磁辐射的能力与“太阳能”不同。这种更宽的范围加上被提高的系统效率在更长的时间段内提供更大的面板容量，这实现了更低的每瓦特成本和更大的总输出。

增加的面板容量需要显著减少的表面积，使得即使在空间有限和或价高的情况下也可以安装面板。

“包含”或“捕获”（与本发明共同使用的）技术相比当前的家用/商用/实用级安装方式，实现显着的成本节省，这是由于其较小的结构占地面积和较少面板数量，需要明显较少的占地面积，安装劳动和辅助设备。

EM-CS技术结合电池存储可以作为第一个正当的“基荷”可再生能源解决方案。

适用于并网和离网系统，本系统规定了对电磁（EM）全谱能量的限制利用范围。

根据实施例，本发明的“面板”被设计为可包含/捕获和转换高达2.9kW/m³的更大范围的辐射能量，这与市场上的所有其它面板不同。因为根据本发明所述，面板利用UV、可见光和不可见光光谱。

根据实施例，本发明公开了多个EM“氩膜”（透明，稳定，并且吸收范围达200nm至5000nm）。同样，专有玻璃配方被设计为吸收总EM辐射光谱（具有最小限度的——6-8％的折射光，任何类型的EM辐射光谱），添加成一定角度的镀银顶棱镜进一步增加吸收间接电磁（EM）辐射能量的能力。

根据实施例，两个抛物面反射基座引导并捕获阳光，使得系统的效率最大化。

该技术允许多达80％的更多的EM辐射，给出更多的总千瓦/天（kW/day）吸收，取决于至点和区域。

根据实施例，其内层分解电磁（EM）辐射，作为一道半透膜，增强吸收，允许辐射进入但抑制其出射。

新技术将总辐射量提高到比单独的膜多66％。这就是为什么这是一种EM“系统”而不仅仅是另一种如现有技术所公开的太阳能电池板。

吸收能力：直接、间接、反射、棱镜光甚至散射能量，也同样是其特点。

值得注意的是内部设计增加电子通量至少约7-37倍。

与传统系统不同，传统系统中EM面板仅使用部分EM光谱。（当前面板仅使用高达0.6kW/m2的20％的可见光谱）。

本系统由一种设计利用所有可用电磁辐射能量的系统所产生，远远超过一般太阳能电池板的小范围，甚至超过UV到IR的大量可用范围。该系统设计成吸收更大广谱的辐射能量。

现有的太阳能电池板仅利用800至1100（nm）波长，而本教导使用宽带技术，其利用大得多的200至5000（nm）波长。

当前的面板“反弹”阳光，而新的EM面板“捕获”太阳的能量，和/或“包含”大得多的太阳能量的等分。

辐射旋转设计增加其在辐射下的暴露面积，比传统模型增加近70％。

这种设计利用阳光的角度、地球的旋转、直线增长的时间和更大的吸收率之间的关系和以减少反射/折射光，并增加进入捕获单元的光辐射量（斯涅尔定律）。

此外，玻璃组合物使其能够吸收间接光。

其它相关的背景技术可以在塔科摩图（Takamoto）于2009年5月18日到21日在美国佛罗里达州坦帕市举办的CS曼坦克大会（CS MANTECH CONFERENCE）发表的多结太阳能电池的现状和未来发展（4页），郝林（Hering）的美国专利8,093,492，巴赫（Bach）的美国专利6,335,480，和奥塔巴斯（Ortabasi）的美国专利6,689,949中找到，其每一者以引用的方式明确地并入本文中，就如同在本文中完全阐述的一样。

本文公开的技术涉及用于从诸如太阳的能源产生能量的系统和方法。所公开的技术的实施例被配置为能够捕获宽范围的电磁能并且将该能量有效地转换为用于各种用途的电。可以包括各种特征以实现电磁能量的有效捕获，从而提高太阳能发电系统的效率。例如，玻璃的独特形状和组成可以用于改善系统中光的进入和捕获，抛物面或其他类似的反射器可以用于捕获能量，例如来自各种角度的太阳（或其它来源的电磁能）的太阳能，并且可以组合具有各种不同带隙的多层光伏材料以捕获可见光谱内和可见光谱之外的宽谱电磁能量。

系统的早期原型包括玻璃或其他透明外壳，使用具有不同带隙（带隙材料）的一种或多种太阳能转换材料（即，光伏材料）产生的能量转换堆叠，以及反射器。反射器可以被配置为将原本可能不撞击在外壳上的阳光（或来自太阳的其他电磁能量）重新定向到玻璃外壳，使得反射的光可以被玻璃外壳捕获并被引向光伏材料。所公开的技术的这些和其他特征和方面可以以各种组合被利用和组合以创建有效的能量产生系统。这些特征的各个方面在本文中以实施例的方式来描述。在各种实施例中，用于封装光伏材料的玻璃可以被配制成增加或最大化到达并且可以被光伏材料捕获的电磁辐射光谱的总量。

玻璃被回火以改善其抗断裂性，并且期望其宽的波长透射光谱。例如，在各种实施例中，回火的磷酸盐MgF（氟化镁）和蓝宝石玻璃可以被提供，其具有在大约400至2750nm的波长上递送大约80至90％的透射率的透射光谱。在一些实施例中，玻璃可以在约200至5000nm的光谱上实现高百分比的透射。该玻璃可以掺杂磷化学品（例如，20％或更少，但是可以使用其它掺杂百分比）以改变电磁能量的吸收以及玻璃的折射率。掺杂是为了增加玻璃的有效接收角度而进行的，使得与未掺杂的玻璃相比，来自太阳的更多能量被接受到玻璃中并且较少被反射离开玻璃的表面。

另外，玻璃外壳被规划为，尤其包括在玻璃的外表面上的抗反射（antireflective, AR）涂层和在玻璃的内表面上的氧化物涂层。与未涂布的玻璃相比，可以添加抗反射涂层以减少外表面的反射量。内表面上的氧化物涂层可以被提供以执行各种功能。例如，可以提供氧化物涂层以分光地将光线分成其光谱组成成分。这允许入射光被分离成光谱分量，并且光谱分量从玻璃的内表面指向不同的方向。

氧化物涂层还可以用作半透膜，允许辐射进入但抑制其离开。这可以促进在首次通过材料时未被吸收和转换的光子的再利用。通过所描述的适当的掺杂和其它特性，实施例可被应用以实现向带隙材料输送58.86％的撞击在玻璃上的直接光，和向带隙材料输送高达30％的撞击在玻璃的直接光。这可以实现，因为以浅角度入射在玻璃上的光可以被捕获而不是被反射，然后可以朝向位于玻璃外壳的中心区域内的光伏带隙材料折射。

根据本教导，可以捕获以浅角度照射在玻璃上的光，而不是反射。在图2中示出了其简单示例，其中浅角度的入射光线被光伏能量转换材料的堆叠接受并折射。玻璃外壳的形状对于提高系统的效率和提高可以由系统捕获的电磁谱的范围是重要的。该形状不限于图中所示的形状。可以使用各种形状的玻璃外壳，然而，在一些实施例中，圆形形状用于向电磁能源（例如，太阳，灯或其他能量源）呈现更直接的角度，并且便于光朝向光伏材料的折射。

在一个方面，本发明提供了一种改进的高效电磁能捕获系统（EM-CS）。 EM-CS包括电池101。

图1示出了本发明的电池101。电池101包括芯构件201和一个或多个端构件301。

图2A-2C示出了电池101的芯构件201。图2A给出芯构件201的透视图。图2B给出了构件201的剖面图。图2C示出了芯构件201中的电极网络。芯构件101包括，以组合的方式，至少一个具有上表面层和下表面层的材料体，其中上表面层接收电磁辐射（EMR）进入材料中，并且上表面层和下表面层将内部EMR反射回材料中。表面层优选包括掺杂的玻璃，例如掺杂MgF2（氟化镁）或其它合适的金属卤化物或这样的材料（“专用玻璃”）。材料体跨越上表面层和下表面层之间的三维空间，由此内部EMR在这些维度上与材料相互作用。材料体通过由多个带隙限定的密集填充带技术捕获在其中传播的EMR，由此内部EMR的波长将电子从价带激发到导带。密集填充带技术包括最内膜205，第二膜206，第三膜207和最外膜208。在优选实施例中，包括至少约3到7个之间的膜。在一个实施例中，每个膜包括分别选自砷化镓（GaAs），锗（Ge），硅（Si）和铟镓二磷（GaInP2）中的一种。每个膜可能分别包括列在表1中的材料。在其它实施例中，可以使用诸如硫化镓（GaS）、镓铟磷（GIP）、镓铟砷（GIA）、铟镓（InGa）、碲化镉（CdTe）、硒化铜铟镓（CIGS）、碲化镉/硫化镉（CdTe/CdS）、二硒化铜铟（CulnSe2）、氮化镓铟（GIN）、锌锰碲化物（ZMT）和/或硫化镉（CdS）的材料。图2C示出与材料体的膜接触的电极。本文中称为材料体的“专有玻璃”的上表面可以由掺杂有金属卤化物，优选氟化镁（MgF2），的玻璃提供，以最大化电池101中的EM辐射的保持。掺杂的上表面层可以是最外膜208或者优选地是在材料体的顶部上的覆盖层。

端构件301包括与端构件601邻接并由基部501支撑的硬件部分401。图4A给出了硬件部分401的透视图。图4B给出了硬件部分401的端视图。图4C给出了硬件部分401的俯视图。图5A给出了基部501的透视图。图5B给出了基部501的端视图。图5C给出了基部501的俯视图。图6A给出了端构件601的透视图。图6B给出了端构件601的端视图。图6C给出了端构件601的俯视图。

图7示出诸如电池101的EM-CS捕获模块的效率。本发明的捕获模块包括具有主体的捕获电池，主体具有从一端延伸到另一端的下表面和弯曲上表面，其中弯曲的上表面可以被成形为提供一表面，当太阳穿过天空，从日出到日落时太阳的光线大致垂直于该表面。与常规的平面或盒式太阳能电池相比，这样的几何形状可以提供高达约66％的阳光暴露的增加。注意，因为外壳的尺寸相对于地球非常小，所以太阳通常不以相对于外壳的恒定弧度行进。在一些实施例中，玻璃壳体可以被配置为，与横跨玻璃壳体的顶部相比，在两侧具有更小的曲率半径。换句话说，壳体被构造成具有大致花形构造。

这在日出和日落时间期间，当来自太阳的能量以低倾斜角度撞击到地球上时，提供直接光的捕获可能是有用的。在其他实施例中，玻璃外壳被配置成花瓣状形状，以在太阳在白天穿过天空时呈现对太阳光线的正垂表面（正交面，normal surface）。

图8A-8D示出了根据某些实施例的用于在厚膜/多膜电池内使用的“花瓣”构件的复杂形状。图8A给出了花瓣实施例的透视图。图8B给出了花瓣实施例的侧视图。图8C给出了花瓣实施例的俯视图。图8D是图8C的AA线剖视图。可以通过应用图9所示的算法来导出图8A所示的形态，以将一天中的多个不同时间的输入EM的宽谱矢量转换成朝向通过溅射、硒化、退火和层压制造的厚膜状层。一个或多个花瓣元件可以彼此组合或与本文公开的具有广谱EM-CS电池的其它元件组合使用。在一个实施方案中，本发明提供了一种EM捕获电池，其包括至少一个，优选至少约3至7个如图8所示的构件。每个构件包括一个厚膜，该厚膜通过所包括的、在本文别处所列的半导体材料限定至少约一个到多个带隙。

复杂的部分球形形状可以使用但不需要使用，并且实际上，在各种实施例中，围绕给定的纬度和经度或应用的地理区域，外壳可以被成形为基于太阳的星历对太阳呈现更直接的角度。采光模型和其他技术可用于优化玻璃外壳的形状和轮廓以捕获最大量的能量。

图9示出了组合透镜制造者方程和斯涅尔定律的结果，以展示可以将3.5太阳能量折射，聚焦和（不反射）到EM-CS中，其中外层示意性地引导光，如在底板上示出的向量所示。

图9示出了使用转换公式来引导本发明的电池的表面几何形状的设计。其中（X，Y，Z）是3D点在世界坐标空间中的坐标，（u，v）是以像素为单位的投影点的坐标。A称为内在参数矩阵，（cx，cy）是主点（通常在图像中心），fx，fy是以像素相关单位表示的焦距。因此，如果来自单元内的图像由某个因子缩放，则所有这些参数应该由相同的因子缩放（分别乘/除）。内在参数的矩阵不依赖于入射光，并且一旦进行估算，就可以重新使用（只要焦距是固定的）。联合旋转-平移矩阵[R|t]被称为外部参数的矩阵。它用于描述光源相对于电池的运动。也就是说，[R|t]将点（X，Y，Z）的坐标转换到相对于电池固定的某个坐标系。电池表面可能有一些变形，主要是径向变形和轻微的切向变形。因此，上述模型如图9所示得以扩展。在图9中，k_1，k_2，k_3，k_4，k_5，k_6是径向失真系数，p_1，p_2是切向失真系数。在所示的函数中，系数作为（k_1，k_2，p_1，p_2 [，k_3 [，k_4，k_5，k_6]]）向量被传递或返回。也就是说，如果向量包含4个元素，则意味着k_3=0。失真系数不依赖于外部光，因此它们也属于固有电池参数。图9所示的扩展模型可以用于在给定固有和外部参数的情况下将3D点投影到图像平面；给定内在参数、几个3D点及其投影计算外部参数；从已知校准图案的几个视图（即，用于电池表面形态的设计）估计内在和外在电池光学参数；并估计厚膜的相对位置和取向，并计算优化EM捕获的整流变换。

捕获电池还可以进一步包括在底表面和至少一部分上表面上的内部镜面反射或镀银或其它反射涂层，例如沿着上表面的侧面。在各种示例性实施例中，整个底表面以及侧面的大约三分之二的表面可以包括反射涂层或镜面反射。内部镜面反射产生光子（离子或电子）反射室，其中电磁辐射进入捕获电池，从镜面反射并在捕获电池内部周围反弹，产生全内反射，或接近全内反射，或包含进入系统的光子的大量反射。这具有提高捕获光子将影响分布在捕获电池内部的光伏材料的可能性的效果。

由于在该示例中镜面反射局限于外壳的底部表面和侧表面的底部部分，所以其不影响外部光入射、衍射、折射或反射；其唯一的效果是“捕获”一旦穿透到电池中的光子。当一个光子依然未被捕获时，其最终转化为热，并加热光伏材料。这增加了从光子收集的电子流（有时被称为通过增加粒子范围的德尔塔-K（Delta-K）效应）。

捕获电池可能具有光学活性和非反射表面（例如，使用钠钙、硼硅酸盐或磷酸盐玻璃组合的特定配方），允许高水平的光子穿透，同时最小化可能发生的基于穿透角度或/地球/太阳阳光弯曲的衍射、折射或反射。该设计允许来自大气散射的太阳辐射的衰减，并且增加在给定位置处可用的太阳辐射的吸收。目前的光伏系统通常使用薄膜光伏电池，其具有非常低的效率，仅利用总可用光子的一部分，并且遭受分层。在一些实施例中，本文描述的技术的各种实施例利用厚膜类似技术用于光伏材料，这些厚膜可以薄至0.03nm或厚至5.0微米。

此外，如所讨论的，薄膜或厚膜的语义是使得技术人员理解哪些版本可被实施以允许如本文所解释的在一个或多个通过中根据需要应用多个层或多个带隙材料。例如，透明卡普顿聚酰亚胺/钼（Kapton/molybdenum）（或需要从美国（USA）特拉华州（DE）威明顿市（Wilmington）的杜邦（DuPont）公司获得的其他聚酰亚胺，例如阿普兰斯（UPILEX））。可提供半透明、多层、多带隙的材料，优选厚膜状材料（或多厚膜带隙晶格（multiple thick filmband gap lattice，MTFBG），例如膜205，206，...）作为光伏材料。在各种实施例中，材料可以是具有由不同半导体材料制成的多个p-n结的一种集成多结光伏电池，每种半导体材料具有不同的带隙。在其他实施例中，多带隙材料可以由多个单独的厚膜制成，每个厚膜具有一个具有指定带隙的光伏材料。理想地，堆叠被制成使得每个p-n结具有不同的带隙能量，并且响应于撞击在设备上的电磁频谱的不同波长而产生电流。通过使用更多的可用电磁频谱这增加了装置的转换效率。

提供具有多个带隙的多种材料允许电池单元响应于光谱的多个不同波长。在一些实施例中，光伏堆叠包括2至4层带隙材料，每个带隙材料具有不同的带隙能量。在其他实施例中，可以提供带隙材料组成的其它不同数量的层，包括单层堆叠或多于4层。边际返回可以随着层数的增加而减小，这取决于许多因素，例如：可用电磁能量的谱，堆叠中各种材料的透明度和吸收效率，可以实现包含或捕获光子的内反射的量，等等。在操作中，光伏堆叠的外带隙材料可以捕获在与其带隙能量相关联的波长处的光子，并将它们转换成电流。

没有被第一层捕获的那些光子穿过到随后的层，直到它们被捕获，吸收，从后续层的表面反射，或者穿过堆叠并被反射以离开玻璃外壳的反射表面。部分被反射光子到达光伏堆叠，再次给予这些光子被捕获并转换成电流的机会，否则光子就会丢失。多层，多频带的带隙厚膜可以是可弯曲的，并且可以结合具有针对存在于白光（包括例如紫外和红外光）中的不同波长的光优化的不同带隙的不同材料，以及对于出现在不同时间内的不同波长的光。例如，在日出和日落期间，光谱与中午不同，因此可以为不同材料提供不同的带隙以捕获那些不同类型的光的尽可能多的能量。在一个示例性实施例中，不同的材料可以包括例如GaAs（砷化镓），Ge（锗），Si（硅）和GaInP2（镓铟二磷）。在其他实施例中，可以使用诸如GaS（硫化镓），GIP（镓铟磷），GIA（镓铟砷)，InGa（镓铟），CdTe（碲化镉），CIGS（硒化铜铟镓），CdTe（碲化镉）/CdS （硫化镉），CulnSe2（硒铜铟化物)，GIN（氮化铟镓），ZMT（锌锰碲化物）和/或CdS（硫化镉）的材料。在一些实施例中，选择材料的带隙，使得其存在重叠带以实现在光谱的最密集区域的能量转换。在一些实施例中，可以改变材料的化学成分以调节连接处的带隙。

表1展示了可以与其相关联的带隙一起使用的不同材料的另一示例，以及使用2层或更多层的预估转换效率。技术人员可以理解，由于重叠，在该示例中降低了示例性数量。

在各种示例性实施例中，可以提供两层，三层，四层或五层独特的厚膜300，其可以在膜的任一侧上聚集光子，在某些实施例中，每个膜的厚度可以在约0.03至5.0微米，如图2B中的膜205，206，...所示）。膜的长度和宽度可以具有合适的尺寸，这取决于外壳的可用尺寸和体积。长度和宽度也可以基于膜在外壳内分层的方式来选择。例如，在一些实施例中，膜可以在外壳内以平面的（planar）或平的（flat）（或基本上平坦的）的构造分层。在其它实施例中，膜可以是弯曲的或卷曲的或缠绕的，并且以同轴或基本上同轴的方式在外壳内分层。例如，可以使用具有足够弹性的柔性层，当插入到外壳中时，使得它们符合外壳的内轮廓。因此，膜可以以外壳的形状被构造。惯例地，在已经出现设计问题限制膜的宽度的情况下，带状长度的膜可以在外壳内彼此缠绕（例如以螺旋方式）。多层半透明光伏堆叠可以与用于离子收集的正电荷进行电气性连接。该多层半透明光伏堆叠至少可以部分地被内部反射环绕，如上文关于图1和2的描述。这种独特的膜技术允许双向光伏路径（即，从顶部向下和从底部向上的能量转换）。

如上所述，在各种实施例中，可以使用厚膜技术来制造多层带隙材料，无论是作为集成器件还是作为单片。在实施例中，聚酰胺，厚膜基材如Mylar（迈拉），KAPTON或任何其它聚酰亚胺膜（可得自美国特拉华州威明顿市的杜邦公司）或其它类型的膜可用作基材，这些材料可以有不同程度透明度。衬底片材可以穿过沉积装置（例如使用化学气相沉积（chemical vapor deposition）或CVD）或其它类似装置，其中装置的层沉积在衬底上。除了化学气相沉积之外，诸如例如挤出正印刷，VPD（气相聚合淀积），喷溅涂覆法等的其它技术也可以用于铺设各种相应的层。

例如，在这种工艺中，可以将电极层和半导体层沉积到衬底上以产生厚膜光伏材料。相应的制造设备可以使用惰性气体（例如氩气）保持在正压力下，以维持腔室相对不含或完全不含氧气。这可以避免氧化反应对材料的有害影响。在单片上制造带隙材料的情况下，可以在给定衬底上制造单结器。

另一方面，需要有异质结器件的情况下，多个带隙材料可以沉积在单个衬底上。在需要时，氧化铟锡，石墨或其它类似材料可用于制造透明电极。所公开的技术的各个方面可以单独地或以各种组合的形式使用，包括在完全能量转换系统中使用，所述完全能量转换系统包括：捕获单元（其中光子可以被更完全地保存，从而产生更大程度的能量吸收和转换）；多层光伏系统，独特的厚膜加工技术；采用多缝隙材料更大程度地利用光谱（因此获得更大的曝光和更大的光子吸收）和一种多维核心，该核心采用纳米技术，应用于（点，网格）GPS和各种传感器，电子存储用途和臭氧生成。此外，本发明涉及的玻璃，其特有的配方和安装角度使其有捕获间接光的能力，增加了系统的总瓦特能量。使用具有多层收集膜300的捕获单元可以结合所有上述技术以制造多层多带隙双向光伏膜芯。捕获单元可以通过增加可提供光子吸收的曝光量，以及增加通过带隙材料的光子通量的数量来与厚膜一起工作。

厚膜避免了薄膜技术中的问题，它更加稳定并且仍然具有允许光子通过具有多个带隙材料的多个吸收层的透明度。当存在太阳光或另一电磁辐射源或波等形式的辐射源，本光伏系统可用于产生电子流（电流）。本光伏系统可以在家庭，商业建筑，工业等方面应用，在汽车或任何其他形式的交通工具上或其中使用。该系统可以是便携式的，因为它是高效的，并且可以在需要能量的任何地方使用。材料的带隙具有激发该材料的一个原子以能够将其电子中的其中一个从较低能量状态或带移动到较高能量状态或带所需的能量。

只有能级大于带隙能级的光子可以激发电子从价带移动到导带，在那里它们可以流动并产生电。对于具有较低带隙的材料，一个较大范围的光频率将具有足够高的能量以激发那些材料中的电子，使其从价带移动到导带（这有助于确定价带材料）。此外，存在各种“可调谐”材料，例如InGap（镓铟磷）或CIGS（硒化铜铟镓）。因此，材料的带隙越小，光撞击该材料越容易转换为电。但是当带隙太小时，导带中的带负电荷的电子与其留下的带正电荷的原子（即，“空穴”）太容易重组，使得保持电子流（即，电流）变得困难。

因为不同频率的光携带不同水平的能量，所以可提供具有不同带隙的材料以捕获光谱内的不同频率的光，以优化可从光谱中获得的能量的总量。带隙的选择不仅在特定波长下有较高效率，而且收集最多的总电子，值得注意的是，越高频率的光携带越多的能量。有关带隙一些实例是：硅的带隙为1.11-1.12eV；硒为1.5-1.6 eV；GaAs镓/砷为1.3-1.4eV；CuO铜/氧化物为2.0eV；GaTe为1.4eV；AlAs铝/砷为2.3eV。光也具有特定的独特波长。

例如，红色是622-780nm；橙色为622-597nm；红外A为700-1400nm；红外B为1400-3000nm；红外C为3000-10000nm。因此，硅理论上可以转换具有等于其1.11-1.12eV带隙的波长的100％的光子，同时还转换具有较短波长和较高能量的较低百分比的光子。然而，具有超过1.12eV的波长的光的光子将不会在硅中产生任何电，因为这些较长波长的光子具有小于克服硅的1.1-1.12eV带隙所需的最小能级。

在实践中，使用硅的常规太阳能电池具有范围从约12％至14％的实际转换效率。也就是说，击中常规硅太阳能电池的光子中仅有约12％至约14％的能量被转换成电（与霍夫曼（Hoffman）在1960年或54年前产生的范围相同）。使用可调PV材料，即InGN(N)(P)，CIGS，GaAs，AlGeN改变了这一点。通过推动硒（Se）在配方中的含量，人们可以操纵带隙和调整“孔”。因此，如果使用硅（Si），可提供至少约1,112-800ev的范围（其中后者允许更多的孔），则可以调谐其它单独的层以覆盖850-600和650-315，因此覆盖能量的最高梯度（来自红外线c-紫外线b）。

真正的效率考虑了所覆盖的能量范围、所述范围转换的效率、和能量聚焦的持续时间。起作用的是角度内部镜面反射（捕获）减少反射/折射。使用铟、镓和氮（Inl-xGaxN）的组合测试原型，它们一起实际上转换太阳光的整个光谱，包括紫外线，红外线和x射线光谱的一些有限部分。这些材料掺杂有碲化镉（CdTe）和硒化铜铟镓（CIGS），碲化镉/硫化镉（CdTe/CdS），CuInSe2（铜铟硒化物-CIS），氮化镓铟（GIN）；锌锰碲化物（ZMT）；硫化镉（CdS）。

图10示出了本发明的方法。步骤的流程图示出了用于优化来自电磁谱的能量的捕获的过程。

图11示出了用于多次通过电池的材料的内部EMR的再循环，同样根据瞬时EM-CS，来自直接的、间接的、反射的、棱镜的和扩散的能量的光子被容纳并且源自其的能量。

此外，本发明中所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在下面的描述中，提供了许多具体细节以供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法、组件、材料等来实践本发明。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的方面。

本文中包括的任何示意图和/或流程图以及步骤的语言描述通常被阐述为语言或图形逻辑流程图。因此，所示的顺序和标记的步骤指示所呈现的方法的一个实施例。在功能、逻辑或效果上等同于所示系统、过程或方法的一个或多个步骤或其部分的其他步骤和方法可能被构思。

另外，所采用的任何格式和/或符号被提供以解释相关联的系统、过程和方法的逻辑步骤，并且被理解为不限制该方法的范围。尽管在流程图中可能采用各种箭头类型和线类型，但是它们被理解为不限制相应方法的范围。实际上，一些箭头或其它连接器可能用于仅指示该方法的逻辑流程。例如，箭头可以指示所描绘的方法的枚举步骤之间的未指定持续时间的等待或监视时段。另外，步骤的顺序提出不指示其需要在另一步骤之前或之后执行，除非明确阐述。

通过引用明确并入本文，如同在此完全阐述的是以下美国授权专利和出版物以及外国专利——其中的每一个已经被回顾并且与本教导区区分。在此提供它们仅仅是为了定义现有技术，并且同时作为信息公开声明提交。美国专利号8,093,492、6,335,480、和6,898,949。

在定义本领域状态时，遗赠或历史尝试以解决这些问题也有一定的价值，但缺乏改进的应用程序来克服科学。

尽管根据目前被认为是最实用和优选的实施方式描述了方法、设备、组合物等，但是应当理解，本公开不需要限于所公开的实施方式。旨在覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似布置，其范围应当符合最宽泛的解释，以包括所有这样的修改和类似结构。本公开包括所附权利要求的任何和所有实施方式。应当理解，在本公开的一个特定实施例的部件、特性或步骤的描述的上下文中，术语“本公开”不暗示或意味着本公开的所有实施例包括该特定部件、特性、或步骤。

还应当理解，在不脱离本公开的本质的情况下可以进行各种改变。这样的改变也隐含地包括在描述中。它们仍然落入本公开的范围内。应当理解，本公开旨在产生独立地并且作为整体系统以及在方法和装置模式两者中覆盖本公开的多个方面的专利。

此外，本公开和权利要求的各种要素中的每一个也可以以各种方式实现。本公开应当被理解为包括每个这样的变化，是任何装置实现、方法或过程实现的变化，或者甚至仅仅是这些变化的任何元素的变化。

特别地，应当理解，由于本公开涉及的要素，每个要素的词语可以由等效的装置术语或方法术语表达——即使只有功能或结果相同。

这种等同的、更宽的或甚至更通用的术语应当被认为包括在每个要素或动作的描述中。这些术语可以在需要使本公开被赋予的隐含的广泛覆盖范围明确的情况下被替换。

应当理解，所有动作可以表示为采取该动作的手段或作为引起该动作的要素。

类似地，所公开的每个物理元件应当被理解为包括该物理元件促进的动作的公开。

在本专利申请中提及的任何专利、出版物或其他参考文献通过引用并入本文。

在作出非实质性替代的程度上，如果申请人事实上没有起草任何权利要求以字面上包含任何特定实施方式，并且在其它方面适用的情况下，不应该将申请人理解为以任何方式意图或者实际上放弃了申请人根本不可能预期到的所有可能性；本领域技术人员不应当合理地期望申请人已经起草了将字面上涵盖这样的替代实施方式的权利要求。

此外，根据传统的权利要求解释，使用过渡短语“包括（comprising）”用于维持本文中的“开放式”权利要求。因此，除非上下文另有要求，否则应当理解，术语“包括（comprise）”或诸如“包括（comprises）”或“包括（comprising）”的变体旨在暗示包括所述的元件或步骤或元件或步骤的组，而不是排除任何其它元件或步骤或一组元件或步骤。这些术语应以其最广泛的形式解释，以便使申请人能够在法律上允许的范围内最宽。

Claims (19)

1.一种改进的高效电磁能捕获系统（EM-CS），其以组合的方式包括：

至少一材料体，其包括上表面层和下表面层，所述上表面层是弯曲表面，所述上表面层和下表面层定义一三维空间，由此所述上表面层接收电磁辐射（EMR）进入所述材料体；

所述上表面层和下表面层将内部EMR反射回所述材料体中；

所述材料体基本上跨越所述上表面层和下表面层之间的三维空间，所述材料体包括多个膜，所述多个膜包括多个半导体，且所述膜定义一种非平面几何形状，由此所述内部EMR在三维中与所述材料体相互作用；

所述材料体通过由多个带隙限定的密集填充带技术捕获在其中传播的EMR，由此所述内部EMR将电子从价带激发到导带；以及

至少一个电极与所述材料体接触以对外提供电能，由此实现从EMR谱吸收的能量的效率大于50。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述下表面层定义一在所述材料体内具有焦点的抛物面。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述膜是通过使用氩气的工艺形成的产物，并且该膜抵抗分层。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括一第一电极和一第二电极，所述第一电极和第二电极与材料体接触并定义可从电池外部接近的一第一电触点和与一第二电触点。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述弯曲表面的上表面层被成形为使得当电池在无云的日子立在户外时，从日出到日落的直射阳光定义了所述弯曲表面的法线。

6.如权利要求4所述的系统，其中将所述上表面层暴露于红外EMR在所述第一电触点和第二电触点之间产生一电压。

7.如权利要求1所述的系统，其中电池捕获来自EMR的能量，所述EMR的光谱范围为200-5000nm。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述上表面层暴露于EMR产生至少2kW/m³。

9.如权利要求1所述的系统，其可操作地使用UV、可见和不可见EMR产生功率，包括回火磷酸盐、氟化镁和蓝宝石玻璃，并且还包括有角度的镀银顶棱镜以吸收间接EM辐射能量。

10.如权利要求1所述的系统，其包括至少3个EM氩膜。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述EM氩膜是透明的、稳定的，并且能够吸收200nm至5000nm。

12.如权利要求1所述的系统，其在少于6-8％的EMR被折射的情况下吸收总EMR光谱。

13.如权利要求1所述的系统，进一步包括两个抛物面反射基座。

14.如权利要求1所述的系统，进一步包括一分解所述EMR并增加吸收的内衬，其通过充当允许辐射进入但抑制其离开的半透膜来增加吸收，所述上表面层为玻璃外壳，所述内衬为位于玻璃的内表面上的用作半透膜的氧化物涂层。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述上表面层具有吸收性表面和棱镜聚焦，所述棱镜聚焦增加两倍的表面积。

16.如权利要求1所述的系统，其包括在所述下表面层处的抛物面镜面表面，其迫使EMR返回穿过所述材料体。

17.一种发电方法，包括：

提供一种具有上表面层和下表面层的材料体，所述上表面层和下表面层定义一三维空间，所述三维空间内配置密集填充材料带，所述密集填充材料带由多个带隙限定并与至少一个电极接触以产生电能，所述上表面层是弯曲表面，所述上表面层和下表面层定义一三维空间，所述材料体包括多个膜，所述多个膜包括多个半导体，且所述膜定义一种非平面几何形状；

接收EM辐射；以及

在具有花瓣状几何构造的电磁捕获系统（EM-CS）内将所述EM辐射中的大于55％的能量转换成电能。

18.如权利要求17所述的方法，所述EM-CS还包括两个抛物面反射基底，其引导和捕获太阳光。

19.如权利要求18所述的方法，所述EM-CS还包括：一分解所述EMR并增加吸收的内衬，由此内衬分解EM辐射，作为允许辐射进入但抑制其出射的半透膜增加吸收，所述上表面层为玻璃外壳，所述内衬为位于玻璃的内表面上的用作半透膜的氧化物涂层。